In the Priority $k$-Center problem, the input consists of a metric space $(X,d)$, an integer $k$, and for each point $v \in X$ a priority radius $r(v)$. The goal is to choose $k$-centers $S \subseteq X$ to minimize $\max_{v \in X} \frac{1}{r(v)} d(v,S)$. If all $r(v)$'s are uniform, one obtains the $k$-Center problem. Plesn\'ik [Plesn\'ik, Disc. Appl. Math. 1987] introduced the Priority $k$-Center problem and gave a $2$-approximation algorithm matching the best possible algorithm for $k$-Center. We show how the problem is related to two different notions of fair clustering [Harris et al., NeurIPS 2018; Jung et al., FORC 2020]. Motivated by these developments we revisit the problem and, in our main technical contribution, develop a framework that yields constant factor approximation algorithms for Priority $k$-Center with outliers. Our framework extends to generalizations of Priority $k$-Center to matroid and knapsack constraints, and as a corollary, also yields algorithms with fairness guarantees in the lottery model of Harris et al [Harris et al, JMLR 2019].

K-MEDIAN和K-MEACE是聚类算法的两个最受欢迎的目标。尽管有密集的努力，但对这些目标的近似性很好地了解，特别是在$ \ ell_p $ -metrics中，仍然是一个重大的开放问题。在本文中，我们在$ \ ell_p $ -metrics中显着提高了文献中已知的近似因素的硬度。我们介绍了一个名为Johnson覆盖假说（JCH）的新假设，这大致断言设定系统上的良好的Max K-Coverage问题难以近似于1-1 / e，即使是成员图形设置系统是Johnson图的子图。然后，我们展示了Cohen-Addad和Karthik引入的嵌入技术的概括（Focs'19），JCH意味着K-MEDIAN和K-MERION在$ \ ell_p $ -metrics中的近似结果的近似值的硬度为近距离对于一般指标获得的人。特别地，假设JCH我们表明很难近似K-Meator目标：$ \ Bullet $离散情况：$ \ ell_1 $ 3.94 - $ \ ell_2中的1.73因素为1.73倍$$ - 这分别在UGC下获得了1.56和1.17的先前因子。 $ \ bullet $持续案例：$ \ ell_1 $ 2210 - $ \ ell_2 $的$ \ ell_1 $ 210。$ \ ell_2 $-metric;这在UGC下获得的$ \ ell_2 $的$ \ ell_2 $的先前因子提高了1.07。对于K-Median目标，我们还获得了类似的改进。此外，我们使用Dinure等人的工作证明了JCH的弱版本。 （Sicomp'05）在超图顶点封面上，恢复Cohen-Addad和Karthik（Focs'19 Focs'19）上面的所有结果（近）相同的不可识别因素，但现在在标准的NP $ \ NEQ $ P假设下（代替UGC）。

我们介绍了$（p，q）$ - 公平集群问题。在这个问题中，我们给出了一组点数$ p $和不同重量函数的集合$ w $。我们想找到一个群集，最小化$ \ ell_q $ -norm的$ \ ell_p $-norm的$ \ ell_p $ -norms的$ p $从中心。这概括了各种聚类问题，包括社会博览会$ k $ -Median和$ k $ - emeans，并且与其他问题紧密相连，如Densest $ K $ -subgraph和Min $ K $ -Union。我们利用凸编程技术来估计$（p，q）$ - 为$ p $和$ q $的不同价值观达到公平的聚类问题。当$ p \ geq q $时，我们得到$ o（k ^ {（pq）/（2pq）}）$，它几乎匹配$ k ^ {\ omega（（pq）/（pq））} $低于基于Min $ K $ -Union和其他问题的猜想硬度的束缚。当$ q \ geq p $时，我们得到一个近似，它与界限$ p，q $的输入的大小无关，也与最近的$ o相匹配（（\ log n /（\ log \ log n）） ^ {1 / p}）$ - $（p，\ infty）$ - makarychev和vakilian（colt 2021）的公平聚类。

我们研究社会上公平$（\ ell_p，k）$的近似算法 - $ m $组的聚类问题，其特殊案例包括社会公平的$ k $ -Median（$ p = 1 $）和社会公平的$ k $ - 均值（$ p = 2 $）问题。我们提出（1）一个多项式时间$（5+2 \ sqrt {6}）^p $ - approximation，最多$ k+m $中心（2）a $（5+2 \ sqrt {6}+\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \\ epsilon）^p $ - approximation with $ k $中心$ n^{2^{o（p）} \ cdot m^2} $，和（3）a $（15+6 \ sqrt {6}） ^p $ k $中心的时间$ k^{m} \ cdot \ text {poly}（n）$。第一个结果是通过使用一系列线性程序的迭代圆形方法的细化来获得的。后两个结果是通过将最多$ K+M $中心的解决方案转换为使用（2）的稀疏方法的$ K $中心的解决方案，并通过详尽的搜索（3）。我们还将算法的性能与现有的双色算法以及基准数据集中的$ K $中心近似算法的恰好比较，并发现我们的算法在实践中也优于现有方法。

本文展示了如何适应$ k $ -MEANS问题的几种简单和经典的基于采样的算法，以使用离群值设置。最近，Bhaskara等人。 （Neurips 2019）展示了如何将古典$ K $ -MEANS ++算法适应与异常值的设置。但是，他们的算法需要输出$ o（\ log（k）\ cdot z）$ outiers，其中$ z $是true Outliers的数量，以匹配$ o（\ log k）$ - 近似值的$ k的近似保证$ -Means ++。在本文中，我们以他们的想法为基础，并展示了如何适应几个顺序和分布式的$ k $ - 均值算法，但使用离群值来设置，但具有更强的理论保证：我们的算法输出$（1+ \ VAREPSILON）z $ OUTLIERS Z $ OUTLIERS在实现$ o（1 / \ varepsilon）$ - 近似目标函数的同时。在顺序世界中，我们通过改编Lattanzi和Sohler的最新算法来实现这一目标（ICML 2019）。在分布式设置中，我们适应了Guha等人的简单算法。 （IEEE Trans。知道和数据工程2003）以及Bahmani等人的流行$ K $ -Means $ \ | $。 （PVLDB 2012）。我们技术的理论应用是一种具有运行时间$ \ tilde {o}（nk^2/z）$的算法，假设$ k \ ll z \ ll n $。这与Omacle模型中此问题的$ \ Omega（NK^2/z）$的匹配下限相互补。

计算Wassersein BaryCenters（A.K.A.最佳运输重构）是由于数据科学的许多应用，最近引起了相当大的关注的几何问题。虽然存在任何固定维度的多项式时间算法，但所有已知的运行时间都在维度中呈指数级。这是一个开放的问题，无论是这种指数依赖性是否可改进到多项式依赖性。本文证明，除非P = NP，答案是否定的。这揭示了Wassersein的BaryCenter计算的“维度诅咒”，其不会发生最佳运输计算。此外，我们对计算Wassersein的硬度结果延伸到近似计算，看似简单的问题案例，以及在其他最佳运输指标中平均概率分布。

在聚类问题中，中央决策者通过顶点给出完整的公制图，并且必须提供最小化某些目标函数的顶点的聚类。在公平的聚类问题中，顶点以颜色（例如，组中的成员身份）赋予，并且有效群集的功能也可能包括该群集中的颜色的表示。在公平集群中的事先工作假设完全了解集团成员资格。在本文中，我们通过假设通过概率分配不完美了解集团成员资格的知识。我们在此具有近似率保证的更常规设置中呈现聚类算法。我们还解决了“公制成员资格”的问题，其中不同的群体的概念和距离。使用我们所提出的算法以及基线进行实验，以验证我们的方法，并且当组成员资格不确定时，验证我们的方法以及表面细微的问题。

我们开发了一种高效的随机块模型中的弱恢复算法。该算法与随机块模型的Vanilla版本的最佳已知算法的统计保证匹配。从这个意义上讲，我们的结果表明，随机块模型没有稳健性。我们的工作受到最近的银行，Mohanty和Raghavendra（SODA 2021）的工作，为相应的区别问题提供了高效的算法。我们的算法及其分析显着脱离了以前的恢复。关键挑战是我们算法的特殊优化景观：种植的分区可能远非最佳意义，即完全不相关的解决方案可以实现相同的客观值。这种现象与PCA的BBP相转变的推出效应有关。据我们所知，我们的算法是第一个在非渐近设置中存在这种推出效果的鲁棒恢复。我们的算法是基于凸优化的框架的实例化（与平方和不同的不同），这对于其他鲁棒矩阵估计问题可能是有用的。我们的分析的副产物是一种通用技术，其提高了任意强大的弱恢复算法的成功（输入的随机性）从恒定（或缓慢消失）概率以指数高概率。

由于机器学习，统计和科学的应用，多边缘最佳运输（MOT）引起了极大的兴趣。但是，在大多数应用中，MOT的成功受到缺乏有效算法的严重限制。实际上，MOT一般需要在边际K及其支撑大小n的数量中指数时间n。本文开发了一个关于“结构”在poly（n，k）时间中可溶解的一般理论。我们开发了一个统一的算法框架，用于通过表征不同算法所需的“结构”来解决poly（n，k）时间中的MOT，这是根据双重可行性甲骨文的简单变体所需的。该框架有几个好处。首先，它使我们能够证明当前是最流行的MOT算法的Sinkhorn算法比其他算法要在poly（n，k）时间中求解MOT所需的结构更严格。其次，我们的框架使得为给定的MOT问题开发poly（n，k）时间算法变得更加简单。特别是（大约）解决双重可行性Oracle是必要和足够的 - 这更适合标准算法技术。我们通过为三个通用类成本结构类别的poly（n，k）时间算法开发poly（n，k）时间算法来说明这种易用性：（1）图形结构； （2）设定优化结构； （3）低阶和稀疏结构。对于结构（1），我们恢复了Sindhorn具有poly（n，k）运行时的已知结果；此外，我们为计算精确且稀疏的解决方案提供了第一个poly（n，k）时间算法。对于结构（2） - （3），我们给出了第一个poly（n，k）时间算法，甚至用于近似计算。这三个结构一起涵盖了许多MOT的当前应用。

Pearl's Do Colculus是一种完整的公理方法，可以从观察数据中学习可识别的因果效应。如果无法识别这种效果，则有必要在系统中执行经常昂贵的干预措施以学习因果效应。在这项工作中，我们考虑了设计干预措施以最低成本来确定所需效果的问题。首先，我们证明了这个问题是NP-HARD，随后提出了一种可以找到最佳解或对数因子近似值的算法。这是通过在我们的问题和最小击球设置问题之间建立联系来完成的。此外，我们提出了几种多项式启发式算法来解决问题的计算复杂性。尽管这些算法可能会偶然发现亚最佳解决方案，但我们的模拟表明它们在随机图上产生了小的遗憾。

我们考虑多级分类的问题，其中普遍选择的查询流到达，并且必须在线分配标签。与寻求最小化错误分类率的传统界定不同，我们将每个查询的总距离最小化到与其正确标签相对应的区域。当通过最近的邻分区确定真正的标签时 - 即点的标签由它最接近欧几里德距离所提供的点，我们表明人们可以实现独立的损失查询总数。我们通过显示学习常规凸集每查询需要几乎线性损耗来补充此结果。我们的结果为语境搜索的几何问题而被遗憾地构建了遗憾的保证。此外，我们制定了一种从多字符分类到二进制分类的新型还原技术，这可能具有独立兴趣。

We study the problem of graph clustering under a broad class of objectives in which the quality of a cluster is defined based on the ratio between the number of edges in the cluster, and the total weight of vertices in the cluster. We show that our definition is closely related to popular clustering measures, namely normalized associations, which is a dual of the normalized cut objective, and normalized modularity. We give a linear time constant-approximate algorithm for our objective, which implies the first constant-factor approximation algorithms for normalized modularity and normalized associations.

Graph clustering is a fundamental problem in unsupervised learning, with numerous applications in computer science and in analysing real-world data. In many real-world applications, we find that the clusters have a significant high-level structure. This is often overlooked in the design and analysis of graph clustering algorithms which make strong simplifying assumptions about the structure of the graph. This thesis addresses the natural question of whether the structure of clusters can be learned efficiently and describes four new algorithmic results for learning such structure in graphs and hypergraphs. All of the presented theoretical results are extensively evaluated on both synthetic and real-word datasets of different domains, including image classification and segmentation, migration networks, co-authorship networks, and natural language processing. These experimental results demonstrate that the newly developed algorithms are practical, effective, and immediately applicable for learning the structure of clusters in real-world data.

Arthur和Vassilvitskii的著名$ K $ -MEANS ++算法[SODA 2007]是解决实践中$ K $ - 英镑问题的最流行方式。该算法非常简单：它以随机的方式均匀地对第一个中心进行采样，然后始终将每个$ K-1 $中心的中心取样与迄今为止最接近最接近中心的平方距离成比例。之后，运行了劳埃德的迭代算法。已知$ k $ -Means ++算法可以返回预期的$ \ theta（\ log K）$近似解决方案。在他们的开创性工作中，Arthur和Vassilvitskii [Soda 2007]询问了其以下\ emph {greedy}的保证：在每一步中，我们采样了$ \ ell $候选中心，而不是一个，然后选择最小化新的中心成本。这也是$ k $ -Means ++在例如中实现的方式。流行的Scikit-Learn库[Pedregosa等人； JMLR 2011]。我们为贪婪的$ k $ -Means ++提供几乎匹配的下限和上限：我们证明它是$ o（\ ell^3 \ log^3 k）$ - 近似算法。另一方面，我们证明了$ \ omega的下限（\ ell^3 \ log^3 k / \ log^2（\ ell \ log k））$。以前，只有$ \ omega（\ ell \ log k）$下限是已知的[bhattacharya，eube，r \“ ogllin，schmidt; esa 2020），并且没有已知的上限。

图形上的分层聚类是数据挖掘和机器学习中的一项基本任务，并在系统发育学，社交网络分析和信息检索等领域中进行了应用。具体而言，我们考虑了由于Dasgupta引起的层次聚类的最近普及的目标函数。以前（大约）最小化此目标函数的算法需要线性时间/空间复杂性。在许多应用程序中，底层图的大小可能很大，即使使用线性时间/空间算法，也可以在计算上具有挑战性。结果，人们对设计只能使用sublinear资源执行全局计算的算法有浓厚的兴趣。这项工作的重点是在三个经过良好的sublinear计算模型下研究大量图的层次聚类，分别侧重于时空，时间和通信，作为要优化的主要资源：（1）（动态）流模型。边缘作为流，（2）查询模型表示，其中使用邻居和度查询查询图形，（3）MPC模型，其中图边缘通过通信通道连接的几台机器进行了分区。我们在上面的所有三个模型中设计用于层次聚类的sublinear算法。我们算法结果的核心是图表中的剪切方面的视图，这使我们能够使用宽松的剪刀示意图进行分层聚类，同时仅引入目标函数中的较小失真。然后，我们的主要算法贡献是如何在查询模型和MPC模型中有效地构建所需形式的切割稀疏器。我们通过建立几乎匹配的下限来补充我们的算法结果，该界限排除了在每个模型中设计更好的算法的可能性。

我们考虑从数据学习树结构ising模型的问题，使得使用模型计算的后续预测是准确的。具体而言，我们的目标是学习一个模型，使得小组变量$ S $的后海报$ p（x_i | x_s）$。自推出超过50年以来，有效计算最大似然树的Chow-Liu算法一直是学习树结构图形模型的基准算法。 [BK19]示出了关于以预测的局部总变化损耗的CHOW-LIU算法的样本复杂性的界限。虽然这些结果表明，即使在恢复真正的基础图中也可以学习有用的模型是不可能的，它们的绑定取决于相互作用的最大强度，因此不会达到信息理论的最佳选择。在本文中，我们介绍了一种新的算法，仔细结合了Chow-Liu算法的元素，以便在预测的损失下有效地和最佳地学习树ising模型。我们的算法对模型拼写和对抗损坏具有鲁棒性。相比之下，我们表明庆祝的Chow-Liu算法可以任意次优。

在本文中，我们提出了一个自然的单个偏好（IP）稳定性的概念，该概念要求每个数据点平均更接近其自身集群中的点，而不是其他群集中的点。我们的概念可以从几个角度的动机，包括游戏理论和算法公平。我们研究了与我们提出的概念有关的几个问题。我们首先表明，确定给定数据集通常允许进行IP稳定的聚类通常是NP-HARD。结果，我们探索了在某些受限度量空间中查找IP稳定聚类的有效算法的设计。我们提出了一种poly Time算法，以在实际线路上找到满足精确IP稳定性的聚类，并有效地算法来找到针对树度量的IP稳定2聚类。我们还考虑放松稳定性约束，即，与其他任何集群相比，每个数据点都不应太远。在这种情况下，我们提供具有不同保证的多时间算法。我们在实际数据集上评估了一些算法和几种标准聚类方法。

我们给出了第一个多项式算法来估计$ d $ -variate概率分布的平均值，从$ \ tilde {o}（d）$独立的样本受到纯粹的差异隐私的界限。此问题的现有算法无论是呈指数运行时间，需要$ \ OMEGA（D ^ {1.5}）$样本，或仅满足较弱的集中或近似差分隐私条件。特别地，所有先前的多项式算法都需要$ d ^ {1+ \ omega（1）} $ samples，以保证“加密”高概率，1-2 ^ { - d ^ {\ omega（1） $，虽然我们的算法保留$ \ tilde {o}（d）$ SAMPS复杂性即使在此严格设置中也是如此。我们的主要技术是使用强大的方块方法（SOS）来设计差异私有算法的新方法。算法的证据是在高维算法统计数据中的许多近期作品中的一个关键主题 - 显然需要指数运行时间，但可以通过低度方块证明可以捕获其分析可以自动变成多项式 - 时间算法具有相同的可证明担保。我们展示了私有算法的类似证据现象：工作型指数机制的实例显然需要指数时间，但可以用低度SOS样张分析的指数时间，可以自动转换为多项式差异私有算法。我们证明了捕获这种现象的元定理，我们希望在私人算法设计中广泛使用。我们的技术还在高维度之间绘制了差异私有和强大统计数据之间的新连接。特别是通过我们的校验算法镜头来看，几次研究的SOS证明在近期作品中的算法稳健统计中直接产生了我们差异私有平均估计算法的关键组成部分。

在相关聚类问题中，我们为我们提供了一组具有成对相似性信息的对象。我们的目的是将这些对象划分为尽可能紧密匹配此信息的群集。更具体地说，成对信息是作为加权图$ g $给​​出的，其边缘标记为``类似的''或``不同''二进制分类器。目的是产生一个聚类，以最大程度地减少``分歧''的权重：跨簇中类似边缘和群集中不同边缘的权重的总和。在此博览会中，我们重点介绍$ g $完整且未加权的情况。我们探索了此假设下相关聚类问题的四种近似算法。特别是，我们描述了以下算法：（i）$ 17429- $ $近似算法，Bansal，Blum和Chawla，（II）$ 4- $ $近似算法由$ 4- $ $近似算法。 Charikar，Guruswami和Wirth（III）Ailon，Charikar和Newman和Newman（IV）的$ 3- $近似算法是Chawla，Makarychev，Schramm和Yaroslavtsev的$ 2.06- $近似算法。

我们研究动态算法，以便在$ N $插入和删除流中最大化单调子模块功能的问题。我们显示任何维护$（0.5+ epsilon）$ - 在基数约束下的近似解决方案的算法，对于任何常数$ \ epsilon> 0 $，必须具有$ \ mathit {polynomial} $的摊销查询复杂性$ n $。此外，需要线性摊销查询复杂性，以维持0.584美元 - 批量的解决方案。这与近期[LMNF + 20，MON20]的最近动态算法相比，达到$（0.5- \ epsilon）$ - 近似值，与$ \ mathsf {poly} \ log（n）$摊销查询复杂性。在正面，当流是仅插入的时候，我们在基数约束下的问题和近似的Matroid约束下提供有效的算法，近似保证$ 1-1 / e-\ epsilon $和摊销查询复杂性$ \ smash {o （\ log（k / \ epsilon）/ \ epsilon ^ 2）} $和$ \ smash {k ^ {\ tilde {o}（1 / \ epsilon ^ 2）} \ log n} $，其中$ k $表示基数参数或Matroid的等级。